上海地区商业建筑综合节能改造技术应用研究

瞿燕

华东建筑设计研究院有限公司

0 引言

2012年8月，上海市被列为第二批公共建筑节能改造重点城市，并于2013年发布《关于组织申报上海市公共建筑节能改造重点城市示范项目的通知》（沪建交联[2013]311号），至今已完成了73个公共建筑节能改造项目，总计面积达400万m2以上，单位建筑面积能耗下降20%以上，处于全国领先地位。2016年，上海市出台《上海市建筑节能和绿色建筑示范项目专项扶持办法》（沪建建材联[2016]432号），仍将既有公共建筑节能改造作为当前建筑节能工作的重要内容之一。

截至到2018年3月31日，接入到上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测中心平台的公共建筑有1618栋，总建筑面积达到7552.2万m2。此外，上海市于2005年前建成的公共建筑约有2亿多m2，其中70%以上为办公、宾馆、商业建筑。近年来，不少研究学者均对公共建筑的综合节能改造进行了广泛而深入的研究和探索[1-4]，为公共建筑的节能改造积累了不少经验。

随着社会的发展，商业建筑由最初的功用型向商业型转化，其内部设施的功能更加综合，建筑规模也朝着大型化和复合化的方向发展，其电耗量也呈明显上升之势。通过对示范项目用能数据的梳理发现，大型商业建筑的建筑能耗为办公建筑能耗的2～4倍。商业建筑由于其功能复杂性、节能潜力巨大性，经济效益敏感性等方面的影响，也使其成为既有公共建筑的节能改造的重点和难点。

本文旨在通过对“十二五”期间上海市完成的商业综合节能改造项目的技术经济性进行梳理和挖掘，以期更好指导相关节能改造工作的开展。这些示范项目数据一部分源自（沪建交联[2013]311号文）的示范项目，另一方面源自上海市长宁区完成的公共建筑节能改造示范项目。在这总计100个完成综合节能改造的示范项目中，商业建筑总共有15栋，其总建面积达到69.37万m2。建造年代主要分布在2006～2010年，占到示范项目商业建筑总数的73%。

1 典型商业建筑用能结构分析

在商业类建筑中，能源消耗主要形式有电力、天然气、煤气、燃油等。电力主要用于空调、照明、插座等，也包括超市类建筑专门的冷藏冷冻设备，同时也是主要的耗能形式。天然气、煤气、燃油等其他燃料主要用于供暖、热水和炊事等。以上海某大型购物中心商业建筑为例，其建筑面积287124 m2，全年消耗电量48.56×106kWh，消耗燃气 37.74 万 m3，折算成等效电为 51.25×106kWh，折合单位面积能耗等效电为178.5 kWh/(m2a)，电量消耗占总能耗的95%。

由图1可以看出，该商业建筑用电高峰出现在7月和8月，此期间为夏季空调供冷主要时期；用气高峰出现在12月、1月和2月，此期间为冬季空调供暖的主要时期。

图1 某大型购物中心逐月耗电量和耗气量

2 商业建筑用能特点分析

与办公建筑相比，商业建筑在能耗方面有以下特点：

1）商业建筑体量较大，人流密度大，照明能耗较高，室内发热量大，围护结构对建筑能耗的影响较小。现有的商业建筑设计，大多难以实现自然通风；若依靠新风机提供大量新风，则导致空调风机电耗巨大。

2）照明电耗较高，这一方面是由于商业建筑绝大部分是内区需要人工照明，另一方面则是照度普遍偏高，以较高的照度、合适的色温来展示商品、吸引顾客，照明设备单位面积功率较高。另外，商业的照明设备难以实现“部分空间、部分时间”开启，只要是在营业时间，考虑到对销售业绩的影响，照明基本全部开启，因此照明设备开启时间长。

3）空调系统能耗高。这是由于商业面积大，产生热量的设备多；另外由于商业建筑人员密度大，对比同面积的办公和酒店，商业的人员多，对应的需要的新风量大，且需要处理的人员产生的人体散热和散湿的冷负荷就大。

4）商业建筑运行时间长，一般每天运行12个小时以上，且不分工作日、休息日。

5）动力能耗较高，一是由于商业建筑的面积大导致需要的设备数量多；二是由于商业建筑的业态多导致需要的设备多。

6）耗能设备种类多。耗能种类多是由于商业建筑的多元化导致的。以餐饮业态为例，餐饮需要配置常规的空调末端、灯光照明，除此之外，餐饮厨房需要为专业的厨房设备提供用电，需要提供排油烟设备及对应的补风设备，需要配置隔油处理设备。超市类商业建筑还需要冷藏冷冻设备。

上海市15栋商业建筑改造前和改造后的单位面积能耗分布如图2所示。从节能率来看，商业建筑改造的节能率平均值为26.19%。

图2 改造前后示范项目单位面积能耗统计

3 商业建筑节能改造项目技术经济性评价

商业建筑节能改造受到建筑本体特性、用能特点、系统复杂程度、系统节能潜力、投资回收期、改造技术可实施性、建筑产权性质等多因素的制约，实际改造项目中，往往简单直接、见效快、收益良好的节能改造技术措施更受青睐。其中，空调系统、照明系统、冷热水输配系统的改造等是当示范项目中应用频率最高的技术类别。本文对商业建筑示范项目节能改造技术的应用效果主要从两个维度来评价，分别为节能效果和经济性指标。

3.1 商业建筑节能改造技术应用频率排名

图3是商业建筑节能改造技术使用频率Top 10排名。从图3中可以看出，对于商业建筑，照明能耗占比大，非节能灯具更换为LED灯具的使用频率最高，所有商业类示范项目均采用了此技术。除此之外，10个超市类商业建筑均采用冰柜加盖这种节能技术措施来降低冷藏冷冻系统的能耗，超市类商业建筑还大量采用了冷藏冷冻制冷系统冷凝热回收技术。此外，过渡季节新风免费供冷作为低成本技术也在商业建筑中得到了广泛使用，可以降低空调制冷系统能耗。风机增加变频装置使用频率高，也可以有效降低空调风机能耗。

3.2 商业建筑节能改造技术节能率排名

图4是商业建筑节能改造技术节能率Top10排名。从下图中可以看出，对于商业建筑，大部分时间处于部分负荷工况下运行，螺杆式冷水机组有着上佳的性能表现，节能率达到了19.2%。紧随其后的是LED灯具、离心式冷水机组变频和空气源热泵机组。值得注意的是，冰柜加盖和过渡季节新风免费供冷这类低成本技术也进入了商业建筑节能率前10的排名。

3.3 商业建筑投资回收期

在这100个既有公共建筑节能改造示范项目中，节能改造总投资为5.7438亿元，财务净现值（FNPV）为8.2333亿元，投资增益倍率达1.43倍。示范项目节能改造总投资成本统计最大值为3478.63万元，最小值为61.84万元，平均值为571.39万元，单位面积投资成本为107元/m2。根据对商业建筑节能改造总投资统计，最大值为778.35万元，最小值为128.87万元，平均值为282.5万元。

不同类型建筑投资回收期比较如图5所示，示范项目平均静态回收期为2.69年，平均动态回收期为3.15年，平均财务内部收益率（FIRR）为21.48%,平均经济内部收益率（EIRR）为22.2。商业建筑静态回收期和动态回收期最低，说明其节能潜力大，经济效益最好。

3.4 商业建筑节万度等效电投资

商业、办公、宾馆节万度等效电投资额如下图所示，商业节万度等效电投资仅为1.9万元/万kWh，这也反应了商业建筑的节能效果较好，技术的投资回收效益更好。

图6 不同类型建筑节万度等效电投资额对比

3.5 商业建筑节万度等效电投资额技术排名

商业建筑节万度等效电投资额技术排名如图7所示。相比于宾馆建筑和办公建筑，商业建筑各项节能措施节省1万kWh等效电的投入成本较低。离心式冷水机组变频、变频水泵、太阳能光伏发电系统以及冰柜加盖这四项技术节省1万kWh等效电的投入成本均小于1万元，性价比较好。

图7 商业建筑节万度等效电投资额技术排名

4 减排成本曲线

国际早期编制成本曲线的研究咨询机构有美国的劳伦斯实验室和德国GOPA咨询公司。2007年麦肯锡公司发布了全球温室气体减排成本曲线。麦肯锡公司在全球10个领军企业和组织的支持下，开发出一个全球温室气体减排数据库。该数据库包括了至2030年的时间范围内，对10个经济部门和全世界21个地区的200多种温室气体减排机会的潜力和成本的深入评估。麦肯锡公司绘制全球温室气体减排成本曲线，为各国减排决策者提供各种可能的减排方法的重要意义和成本。

根据100个示范项目的公共建筑节能改造资料，通过整理、识别，建立了上海市公共建筑节能改造项目数据库，开发了上海市公共建筑减排成本曲线（以下简称建筑减排成本曲线），如图8所示。

图8 上海市公共建筑减排成本曲线

在减排成本曲线中，X轴表示操作年减排能力（或潜力），Y轴方表示单位减排CO2的成本。在成本曲线中最重要的要素是柱状框，每个柱状框表示一项技术措施（对应某种技术或产品）。柱状框横向（X轴方向）宽度表示技术措施的年减排量大小，柱状框纵向（Y轴方向）高度表示技术措施的单位减排成本高低。减排量计量单位可用吨二氧化碳/年或吨二氧化碳当量/年（在有其他温室气体排放的情况下），单位减排成本计量单位可用元／吨二氧化碳或元／吨二氧化碳当量。所有柱状框按单位减排成本从低到高，从左到右排列。一般情况下，柱状框的顶端（非X轴上的一端）会形成一横向S的形状。这就是用“曲线”命名的原因。通过成本曲线，还可获得以下重要信息：

1）本区域内适用的减排技术，以及每一项技术所具有的减排潜力大小，其单位减排成本的从低到高排序，哪些技术可依赖市场的推动，哪些技术应由政府给予额外的关注。

2）最大化的减排潜力（技术潜力），这将是减排目标的极限，根据区域节能或减排潜力曲线进行不同低碳情景假设分析，用于分析不同模式下节能低碳目标。

3）核实通过自上而下制定的减排目标的实施可能性。一般根据减排目标可计算出其中通过技术进步取得的减排量，若该减排量位于单位减排成本零点的左方，那该目标基本可通过市场机制就可能实现。若要右方，表明该目标需政府有额外的推动，才能得以实现。

4）项目的实施难度给出了实施时更多的决策信息。有些节能减排技术有一些重要的但效益无法量化的附带功能，但从成本决策会造成一些偏差。实施难度会为科学决策提供的重要信息，可进行节能措施实施决策分析。因此要特别关注曲线X轴上方实施难度不大的技术。

5）对应曲线有相应的一个综合数据库，涉及大量信息，涉及与各项技术有关的投资成本、运行成本、寿命、节能率以及能效变化等基础数据，通过对该综合数据库的深度分析，可得到更多有价值的信息。

图9为上海市节能改造示范项目的商业建筑减排成本曲线。

图9 上海市公共建筑（商业）减排成本曲线

5 结论

从整体上讲，商业建筑的节能改造具有良好的技术经济性，投资回报最佳，市场选择也证实了这点。大型商业建筑单位建筑面积能耗大，约有20%～30%的节能空间。同时，由于商业建筑影响能耗因素多，用能系统复杂，使得大型商业建筑的节能改造成为一项复杂的系统工程。基于成本的考虑，大型商业建筑偏向于采用低成本节能技术进行改造，从节能投资与收益、环境效益方面比较得出。LED灯具、超市类商业建筑的冰柜加盖和冷藏冷冻制冷系统冷凝热回收技术、过渡季节新风免费供冷和风机水泵增加变频装置等措施在示范项目中得到了广泛应用，具有一定的优势。